Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC 3 trục mini - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini. Tìm hiểu quy trình, ứng dụng và ưu điểm của máy phay CNC mini trong sản xuất cơ khí chính xác.

• Tác giả: Lê Thanh Châu
• Người hướng dẫn: GV. Nguyễn Bá Trương Đài
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI MỞ ĐẦU
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN
• 1.1. Tính cấp thiết
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu, giới hạn đề tài
• 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4.2. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về máy CNC
• 2.2. Sơ lược về máy CNC
• 2.3. Qui ước hệ tọa độ
• 2.4. Điểm chuẩn trong gia công
• 2.5. Hệ thống điều khiển
• 2.6. Phân loại máy phay CNC
• 2.7. Các thành phần cơ khí
• 2.8. Hệ thống truyền động vít me
• 2.9. Hệ thống thanh trượt dẫn hướng
• 2.10. Hệ thống điện
• 2.11. Động cơ dẫn động các trục
• 2.12. Mạch điều khiển chung
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3.1. Lựa chọn phương án kết cấu chung của máy
• 3.2. Máy phay CNC khung H
• 3.3. Máy phay CNC khung C
• 3.4. Kết luận phương án khung máy
• 3.5. Lựa chọn phương án truyền động
• 3.6. Dẫn động bằng bộ truyền đai
• 3.7. Dẫn động bằng trục vít
• 3.8. Dẫn động bằng trục vít me đai ốc bi
• 3.9. Kết luận phương án truyền động
• 3.10. Lựa chọn phương án truyền động từ trục động cơ
• 3.11. Dẫn trực tiếp dùng khớp nối mềm
• 3.12. Dẫn động thông qua dây curoa
• 3.13. Kết luận phương án nối trục động cơ
• 3.14. Phương án chọn truyền động trục chính
• 3.15. Trục chính dẫn động bằng dây đai
• 3.16. Trục chính dẫn động bằng bánh răng
• 3.17. Trục chính dẫn động trực tiếp
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT
• 4.1. Tính lực cắt của máy
• 4.2. Tính lực cắt cho dao phay ngón
• 4.3. Tốc độ quay của trục chính
• 4.4. Lượng chạy dao phút / bước tiến bàn
• 4.5. Lượng cắt gọt vật liệu
• 4.6. Công suất cắt thực tế
• 4.7. Lực cắt chính của máy
• 4.8. Lực cắt thành phần
• 4.9. Công suất cắt tính toán
• 4.10. Lực cắt sinh ra từ quá trình cắt vật liệu
• 4.11. Lực cắt theo phương x, y sinh ra từ quá trình cắt vật liệu
• 4.12. Tính lực cắt cho dao khoan
• 4.13. Số liệu ban đầu
• 4.14. Tốc độ quay của trục chính
• 4.15. Lượng chạy dao
• 4.16. Lực chiều dọc trục
• 4.17. Công suất cắt
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN TẢI TRỤC VÍT, CHỌN VÍT ME
• 5.1. Tính toán tải trục X
• 5.2. Số liệu ban đầu
• 5.3. Chọn sơ bộ bước vít me
• 5.4. Lực chống trượt
• 5.5. Các lực dọc trục
• 5.6. Tải trọng tĩnh
• 5.7. Tải trọng động
• 5.8. Tính toán tải trục Y
• 5.9. Số liệu ban đầu
• 5.10. Chọn sơ bộ bước vít me
• 5.11. Lực chống trượt
• 5.12. Các lực dọc trục
• 5.13. Tải trọng tĩnh
• 5.14. Tải trọng động
• 5.15. Đối trọng
• 5.16. Số liệu ban đầu
• 5.17. Kiểm nghiệm bền xích
• 5.18. Tính toán tải trục Z
• 5.19. Số liệu ban đầu
• 5.20. Chọn sơ bộ bước vít me
• 5.21. Lực chống trượt
• 5.22. Các lực dọc trục
• 5.23. Tải trọng tĩnh
• 5.24. Tải trọng động
• 5.25. Chọn vít me bi trục X
• 5.26. Số liệu ban đầu
• 5.27. Chọn kiểu vít me bi
• 5.28. Chiều dài trục vít lý thuyết
• 5.29. Chọn bước trục vít. Chọn đường kính trục vít me
• 5.30. Chọn thông số kĩ thuật của trục vít
• 5.31. Kiểm nghiệm trục vít
• 5.32. Tính toán momen
• 5.33. Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít
• 5.34. Chọn vít me bi trục Y
• 5.35. Số liệu ban đầu
• 5.36. Chọn kiểu vít me bi
• 5.37. Chiều dài trục vít lý thuyết
• 5.38. Chọn bước trục vít. Chọn đường kính trục vít me
• 5.39. Chọn thông số kĩ thuật của trục vít
• 5.40. Kiểm nghiệm trục vít
• 5.41. Tính toán momen
• 5.42. Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít
• 5.43. Chọn vít me bi trục Z
• 5.44. Số liệu ban đầu
• 5.45. Chọn kiểu vít me bi
• 5.46. Chiều dài trục vít lý thuyết
• 5.47. Chọn bước trục vít. Chọn đường kính trục vít me
• 5.48. Chọn thông số kĩ thuật của trục vít
• 5.49. Kiểm nghiệm trục vít
• 5.50. Tính toán momen
• 5.51. Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít
• 6. CHƯƠNG 6: CHỌN RAY DẪN HƯỚNG, Ổ LĂN, KHỚP NỐI
• 6.1. Tính toán ray dẫn hướng trục X
• 6.2. Số liệu ban đầu
• 6.3. Tính toán các lực thành phần
• 6.4. Tính toán tải trọng tương đương
• 6.5. Hệ số an toàn tĩnh
• 6.6. Tải trọng trung bình
• 6.7. Tính tuổi thọ danh nghĩa
• 6.8. Tính toán ray dẫn hướng trục Y
• 6.9. Số liệu ban đầu
• 6.10. Tính toán các lực thành phần
• 6.11. Tính toán tải trọng tương đương
• 6.12. Hệ số an toàn tĩnh
• 6.13. Tải trọng trung bình
• 6.14. Tính tuổi thọ danh nghĩa
• 6.15. Tính toán ray dẫn hướng trục Z
• 6.16. Số liệu ban đầu:
• 6.17. Tính toán các lực thành phần
• 6.18. Tính toán tải trọng tương đương
• 6.19. Hệ số an toàn tĩnh
• 6.20. Tải trọng trung bình
• 6.21. Tính tuổi thọ danh nghĩa
• 6.22. Chọn ổ lăn cụm trục X
• 6.23. Số liệu ban đầu
• 6.24. Chọn ổ lăn cụm trục Y
• 6.25. Số liệu ban đầu:
• 6.26. Chọn ổ lăn cụm trục Z
• 6.27. Số liệu ban đầu
• 7. CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
• 7.1. Tính toán động cơ dẫn trục X
• 7.2. Số liệu ban đầu:
• 7.3. Momen quán tính của hệ
• 7.4. Momen xoắn quy đổi vào trục động cơ
• 7.5. Tốc độ vòng của động cơ
• 7.6. Momen xoắn gia tốc (tăng tốc, giảm tốc)
• 7.7. Thông số kĩ thuật của động cơ điện
• 7.8. Tính toán động cơ dẫn trục Y
• 7.9. Số liệu ban đầu:
• 7.10. Thông số kĩ thuật của động cơ điện:
• 7.11. Tính toán động cơ trục Z
• 7.12. Số liệu ban đầu:
• 7.13. Thông số kĩ thuật của động cơ điện:
• 8. CHƯƠNG 8: THIẾT KẾ CƠ CẤU, KIỂM NGHIỆM BỀN
• 8.1. Mô hình động học
• 8.2. Thiết kế cụm cơ cấu chung
• 8.3. Thiết kế cụm trục Y
• 8.4. Thiết kế cụm trục X
• 8.5. Thiết kế cụm trục Z
• 8.6. Thiết kế cụm động cơ chính
• 8.7. Mô phỏng kiểm nghiệm bền
• 8.8. Kiểm nghiệm bền cụm đế trục Y
• 8.9. Kiểm nghiệm bền cụm động cơ chính
• 8.10. Kiểm nghiệm bền cụm đối trọng
• 9. CHƯƠNG 9: GIA CÔNG, LẮP RÁP VÀ HIỆU CHỈNH MÁY
• 9.1. Gia công và lắp ráp
• 9.2. Gia công các chi tiết, cụm máy
• 9.3. Lắp ráp các bộ phận máy
• 9.4. Chạy thử và hiệu chỉnh
• 9.5. Quá trình và phương pháp hiệu chỉnh
• 9.6. Quá trình thử nghiệm
• 9.7. Nhận xét quá trình thử nghiệm
• 10. CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
• Tài liệu kham khảo

Tóm tắt

I. Khám phá máy phay CNC mini 3 trục Từ ý tưởng đến thực tế

Máy phay CNC mini 3 trục là một thiết bị gia công tự động nhỏ gọn, điều khiển bằng máy tính, có khả năng thực hiện các thao tác phay, khắc, khoan trên nhiều vật liệu khác nhau với độ chính xác cao. Sự ra đời của các dòng máy này đã mở ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực sản xuất quy mô nhỏ, giáo dục kỹ thuật và các dự án DIY (Do It Yourself). Theo nghiên cứu "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini" của nhóm sinh viên Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nhu cầu về các thiết bị gia công linh hoạt, chi phí thấp cho mục đích đào tạo và thử nghiệm sản phẩm là rất lớn. Một máy phay CNC mini 3 trục điển hình bao gồm ba trục chuyển động chính (X, Y, Z), cho phép đầu dao di chuyển linh hoạt trong không gian ba chiều để tạo hình sản phẩm. Nguyên lý hoạt động máy CNC dựa trên việc phiên dịch mã lệnh (G-code) từ phần mềm điều khiển thành các tín hiệu điện, sau đó truyền đến các động cơ bước để di chuyển các trục theo một quỹ đạo được lập trình sẵn. Sự kết hợp giữa cơ khí chính xác, điện tử điều khiển và phần mềm thông minh đã biến những cỗ máy phức tạp thành công cụ hữu ích, phù hợp ngay cả với máy CNC cho người mới bắt đầu.

1.1. Tổng quan cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy CNC mini

Về cơ bản, cấu tạo máy phay CNC mini bao gồm ba phần chính: cơ khí, điện và điều khiển. Phần cơ khí là bộ khung xương của máy, gồm khung máy CNC (thường làm từ nhôm định hình), hệ thống truyền động (trục vitme bi, thanh trượt vuông) và bàn máy. Phần điện bao gồm các thành phần tạo ra và truyền dẫn chuyển động như động cơ bước, driver động cơ bước, động cơ trục chính (spindle) và bộ nguồn. Cuối cùng, phần điều khiển là bộ não của hệ thống, với mạch điều khiển CNC giao tiếp với máy tính thông qua các phần mềm chuyên dụng như Mach3 hoặc firmware GRBL. Nguyên lý hoạt động bắt đầu khi bản vẽ từ phần mềm thiết kế CNC (như Solidworks, Fusion 360) được chuyển đổi thành các lệnh G-code thông qua phần mềm CAM (ArtCAM). Các lệnh này được gửi đến mạch điều khiển, phân tích và phát xung điều khiển các driver, từ đó làm quay động cơ bước và di chuyển các trục một cách chính xác.

1.2. Vai trò của dự án DIY CNC trong giáo dục và sản xuất nhỏ

Các dự án DIY CNC ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong môi trường giáo dục và các xưởng sản xuất nhỏ. Việc tự tay thiết kế và chế tạo một chiếc máy CNC không chỉ giúp sinh viên và người mới bắt đầu hiểu sâu sắc về nguyên lý hoạt động máy CNC mà còn rèn luyện kỹ năng thực tiễn về cơ khí, điện tử và lập trình. Đồ án của sinh viên ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhấn mạnh rằng mô hình máy hoàn thiện có thể "phục vụ mục đích giảng dạy, đào tạo nhằm nâng cao độ thành thạo của học viên". Đối với sản xuất nhỏ, máy CNC tự chế là giải pháp tối ưu chi phí để tạo mẫu nhanh, sản xuất các chi tiết đơn lẻ hoặc các lô hàng nhỏ mà không cần đầu tư vào máy công nghiệp đắt đỏ. Hơn nữa, những chiếc máy này còn có khả năng mở rộng, chẳng hạn như tích hợp thêm đầu khắc laser để trở thành một chiếc máy khắc laser mini đa năng.

II. Top thách thức khi chế tạo máy phay CNC mini 3 trục tại nhà

Việc tự chế tạo một chiếc máy phay CNC mini 3 trục là một dự án đầy tham vọng nhưng cũng ẩn chứa nhiều thách thức kỹ thuật. Thách thức lớn nhất nằm ở việc cân bằng giữa ba yếu tố: chi phí, độ chính xác và độ cứng vững. Để đạt được gia công cơ khí chính xác, toàn bộ hệ thống từ khung máy, hệ thống truyền động đến các linh kiện CNC mini đều phải được tính toán, lựa chọn và lắp ráp một cách tỉ mỉ. Bất kỳ sai sót nào trong việc đảm bảo độ vuông góc giữa các trục hay độ song song của các thanh trượt đều có thể dẫn đến sai số gia công lớn. Như đã đề cập trong phần tóm tắt của đồ án tham khảo, các hạn chế thường gặp bao gồm "trọng tâm máy tương đối cao so với bệ máy khiến độ ổn định trong quá trình làm việc thấp". Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc thiết kế một khung máy CNC vững chắc và tối ưu về mặt động học. Ngoài ra, việc lựa chọn và đồng bộ hóa các thiết bị điện tử cũng là một bài toán không hề đơn giản, đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về cả phần cứng và phần mềm điều khiển.

2.1. Vấn đề độ chính xác và độ cứng vững của khung máy CNC

Độ cứng vững của khung máy CNC là yếu tố tiên quyết quyết định đến độ chính xác của sản phẩm gia công. Một khung máy yếu sẽ bị biến dạng dưới tác dụng của lực cắt, gây ra rung động và làm sai lệch quỹ đạo của dao cụ. Vật liệu phổ biến cho các dự án DIY là nhôm định hình do dễ lắp ghép và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, việc thiết kế các mối ghép, gia cố các góc chịu lực là cực kỳ quan trọng. Đồ án nghiên cứu đã lựa chọn phương án khung C, một kết cấu phổ biến nhưng đòi hỏi phần cột đỡ trục Z phải đủ lớn để "đảm bảo độ cứng vững". Việc mô phỏng và kiểm nghiệm bền kết cấu bằng các phần mềm thiết kế CNC như Solidworks hay Fusion 360 trước khi gia công là một bước không thể bỏ qua để tối ưu hóa thiết kế và tránh các sai lầm tốn kém.

2.2. Lựa chọn linh kiện CNC mini Bài toán giữa chi phí và hiệu năng

Thị trường linh kiện CNC mini rất đa dạng, từ các sản phẩm giá rẻ đến các linh kiện công nghiệp chất lượng cao. Việc lựa chọn đúng linh kiện là một bài toán cân não. Ví dụ, giữa trục vitme bi và vitme T (trục vít me đai ốc đồng), vitme bi cho độ chính xác cao hơn và ma sát thấp hơn nhưng chi phí cũng cao hơn đáng kể. Tương tự, thanh trượt vuông có khả năng chịu tải và độ chính xác vượt trội so với thanh trượt tròn nhưng giá thành cũng là một rào cản. Đối với hệ thống điện, việc chọn động cơ bước có momen xoắn phù hợp, driver động cơ bước có khả năng vi bước tốt và mạch điều khiển CNC ổn định sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của máy. Việc tính toán tải trọng và momen cần thiết cho từng trục, như được trình bày chi tiết trong Chương 5 và 7 của tài liệu gốc, là cơ sở khoa học để đưa ra lựa chọn tối ưu nhất.

III. Hướng dẫn thiết kế cơ khí cho máy phay CNC mini 3 trục

Quá trình thiết kế cơ khí là nền tảng cho sự thành công của một dự án máy phay CNC mini 3 trục. Giai đoạn này yêu cầu sự kết hợp giữa lý thuyết tính toán và kinh nghiệm thực tiễn để tạo ra một kết cấu vừa đảm bảo độ chính xác, vừa tối ưu về mặt chi phí và khả năng chế tạo. Dựa trên các phương án được phân tích trong Chương 3 của đồ án, việc lựa chọn kết cấu khung máy, hệ thống truyền động và cơ cấu trục chính là những quyết định mang tính chiến lược. Kết cấu khung C được chọn vì "đơn giản hóa quá trình căn chỉnh đảm bảo độ chính xác máy". Các phần mềm thiết kế CNC như Solidworks không chỉ dùng để dựng mô hình 3D mà còn là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng, phân tích ứng suất và kiểm nghiệm bền, giúp phát hiện các điểm yếu trong thiết kế trước khi đưa vào sản xuất. Việc tính toán chi tiết các thông số như lực cắt, tải trọng tĩnh, tải trọng động trên từng trục là bắt buộc để lựa chọn được các linh kiện phù hợp, đảm bảo máy hoạt động ổn định và bền bỉ trong thời gian dài.

3.1. Lựa chọn hệ thống truyền động Trục vitme bi và thanh trượt vuông

Hệ thống truyền động là trái tim của chuyển động chính xác. Đồ án đã kết luận lựa chọn bộ truyền trục vitme bi vì "khắc phục được hạn chế của bộ truyền trục vít" thông thường, mang lại hiệu suất cao, ma sát lăn thấp và giảm thiểu độ rơ (backlash). Cùng với đó, thanh trượt vuông được sử dụng để dẫn hướng cho các trục X, Y và Z. So với thanh trượt tròn, thanh trượt vuông cung cấp độ cứng vững và khả năng chịu tải theo nhiều phương tốt hơn, giúp chống lại sự biến dạng do lực cắt và trọng lượng của các cụm trục. Việc tính toán và lựa chọn đường kính trục vít, bước vít, kích thước và cấp chính xác của thanh trượt và con trượt dựa trên tải trọng động và tĩnh là các bước quan trọng được trình bày trong Chương 5 và 6 của tài liệu gốc, nhằm đảm bảo tuổi thọ và độ chính xác cho hệ thống.

3.2. Tính toán và lựa chọn động cơ trục chính Spindle và biến tần

Động cơ trục chính, hay Spindle, là bộ phận trực tiếp thực hiện quá trình cắt gọt vật liệu. Việc lựa chọn Spindle phụ thuộc vào vật liệu cần gia công và yêu cầu về tốc độ cắt. Đối với các vật liệu mềm như gỗ, mica, nhôm, một Spindle công suất từ 800W đến 2.2kW là phổ biến cho các máy CNC tự chế. Đồ án đã thực hiện các tính toán lực cắt chi tiết trong Chương 4 để lựa chọn động cơ phù hợp. Một yếu tố quan trọng đi kèm với Spindle là biến tần (VFD). Biến tần không chỉ cung cấp nguồn điện 3 pha cho Spindle (loại phổ biến) mà còn cho phép điều chỉnh tốc độ quay một cách linh hoạt thông qua phần mềm điều khiển. Điều này giúp tối ưu hóa chế độ cắt cho từng loại vật liệu và dao cụ khác nhau, nâng cao chất lượng bề mặt sản phẩm và tăng tuổi thọ dao.

IV. Bí quyết xây dựng hệ thống điện và điều khiển máy CNC mini

Nếu hệ thống cơ khí là bộ xương thì hệ thống điện và điều khiển chính là hệ thần kinh và bộ não của máy phay CNC mini 3 trục. Việc xây dựng một hệ thống điều khiển ổn định, đáp ứng nhanh và chính xác là yếu tố quyết định đến hiệu năng vận hành của máy. Quá trình này bao gồm việc lựa chọn các linh kiện CNC mini điện tử, đấu nối chúng một cách khoa học và cấu hình phần mềm điều khiển để chúng hoạt động đồng bộ. Các thành phần cốt lõi bao gồm động cơ bước, driver động cơ bước, mạch điều khiển CNC (breakout board) và bộ nguồn. Việc lựa chọn động cơ có momen xoắn phù hợp với tải trọng của từng trục là vô cùng quan trọng để tránh hiện tượng mất bước (stall), nguyên nhân hàng đầu gây ra sai số gia công. Phần mềm điều khiển đóng vai trò trung gian, phiên dịch ngôn ngữ G-code thành các tín hiệu xung và hướng gửi đến driver, từ đó điều khiển chính xác từng chuyển động của máy. Đây là giai đoạn đòi hỏi sự cẩn thận và kiến thức tổng hợp về điện tử và công nghệ thông tin.

4.1. Lựa chọn động cơ bước và driver động cơ bước phù hợp

Trong các dự án DIY CNC, động cơ bước (Stepper Motor) là lựa chọn phổ biến nhất nhờ giá thành hợp lý và khả năng điều khiển vòng hở đơn giản mà vẫn đạt độ chính xác cao. Việc lựa chọn động cơ cần dựa trên tính toán momen quán tính và momen xoắn yêu cầu cho từng trục (như trong Chương 7 của đồ án). Các thông số như kích thước (ví dụ NEMA 23, NEMA 34) và momen giữ (holding torque) là quan trọng nhất. Đi kèm với động cơ là driver động cơ bước. Một driver tốt sẽ có khả năng vi bước (microstepping) cao, giúp chuyển động của máy mượt mà hơn và giảm thiểu rung động. Driver cũng cần có dòng điện định mức phù hợp với động cơ để tối ưu hóa hiệu suất và tránh gây quá nhiệt cho cả hai thiết bị. Việc cài đặt đúng dòng điện và chế độ vi bước trên driver là một bước cấu hình phần cứng quan trọng trước khi vận hành.

4.2. Cấu hình mạch điều khiển CNC với phần mềm Mach3 hoặc GRBL

Hai nền tảng điều khiển phổ biến nhất cho máy CNC tự chế là Mach3 và GRBL. Mach3 là một phần mềm chạy trên máy tính Windows, giao tiếp với mạch điều khiển CNC (thường là các board giao tiếp qua cổng LPT hoặc USB). Mach3 mạnh mẽ, có nhiều tính năng và giao diện đồ họa trực quan, phù hợp với người mới bắt đầu. Ngược lại, GRBL là một firmware mã nguồn mở, được nạp trực tiếp vào các vi điều khiển như Arduino. Hệ thống chạy GRBL thường nhỏ gọn, chi phí thấp và hoạt động độc lập với máy tính sau khi đã gửi file G-code. Việc cấu hình phần mềm bao gồm việc thiết lập số xung trên mỗi mm cho từng trục (steps per mm), tốc độ và gia tốc tối đa, hướng quay của động cơ. Cấu hình chính xác các thông số này là chìa khóa để máy di chuyển đúng với kích thước trong bản vẽ thiết kế.

4.3. Từ thiết kế đến G code Quy trình với phần mềm CAM ArtCAM

Để máy CNC có thể hoạt động, một bản vẽ 2D hoặc 3D từ phần mềm thiết kế CNC như Fusion 360 hay Solidworks phải được chuyển đổi thành đường chạy dao. Quá trình này được thực hiện bởi phần mềm CAM (Computer-Aided Manufacturing). ArtCAM là một phần mềm CAM phổ biến, đặc biệt mạnh mẽ trong lĩnh vực điêu khắc, làm phù điêu và các công việc liên quan đến nghệ thuật. Quy trình làm việc trên phần mềm CAM bao gồm: nhập mô hình thiết kế, chọn dao cụ, thiết lập các thông số cắt (tốc độ trục chính, tốc độ tiến dao, chiều sâu mỗi lớp cắt), và cuối cùng là xuất ra file mã lệnh G-code. File G-code này là một tệp văn bản chứa hàng loạt các lệnh tọa độ (G0, G1, G2, G3...) mà bộ điều khiển CNC có thể đọc và thực thi, biến thiết kế ảo trên máy tính thành sản phẩm vật lý.

V. Kết quả thực nghiệm Chế tạo và vận hành máy phay CNC mini

Giai đoạn chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh là bước cuối cùng để biến những bản vẽ thiết kế và các linh kiện rời rạc thành một cỗ máy hoàn chỉnh. Đây là giai đoạn kiểm chứng toàn bộ quá trình tính toán và lựa chọn trước đó. Theo ghi nhận từ Chương 9 của đồ án, quá trình này bao gồm việc gia công các chi tiết phụ trợ (như tấm gá động cơ, bàn máy), lắp ráp các cụm trục và đi dây cho hệ thống điện. Việc hiệu chỉnh máy là công đoạn tốn nhiều thời gian và đòi hỏi sự kiên nhẫn, bao gồm việc căn chỉnh độ vuông góc giữa các trục, kiểm tra và loại bỏ độ rơ của hệ thống truyền động, và tinh chỉnh các thông số trong phần mềm điều khiển. Kết quả cuối cùng của dự án máy phay CNC mini 3 trục là một cỗ máy có khả năng thực hiện gia công cơ khí chính xác, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu. Quá trình chạy thử nghiệm và đo đạc sản phẩm mẫu là bằng chứng xác thực nhất cho sự thành công của dự án.

5.1. Quy trình gia công lắp ráp và hiệu chỉnh máy CNC tự chế

Quy trình lắp ráp một chiếc máy CNC tự chế bắt đầu từ việc dựng khung máy CNC làm nền tảng. Tiếp theo là lắp đặt hệ thống dẫn hướng (thanh trượt vuông) và truyền động (trục vitme bi) cho từng trục. Công đoạn này yêu cầu các dụng cụ đo kiểm chính xác như thước cặp, đồng hồ so để đảm bảo độ song song và vuông góc. Sau khi phần cơ khí hoàn thành, hệ thống điện được lắp đặt, bao gồm gắn động cơ bước, spindle, và đi dây về tủ điện chứa driver động cơ bước và mạch điều khiển CNC. Hiệu chỉnh là bước quan trọng nhất, trong đó việc "Điều chỉnh số bước động cơ" (steps per mm) trong phần mềm Mach3 hoặc GRBL phải được thực hiện tỉ mỉ để máy di chuyển chính xác 1mm ngoài thực tế khi được lệnh di chuyển 1mm trên phần mềm. Các bước hiệu chỉnh khác bao gồm kiểm tra và bù trừ độ rơ (backlash compensation).

5.2. Đánh giá độ chính xác thực tế sau khi hoàn thiện dự án

Để đánh giá hiệu quả của dự án, việc kiểm tra độ chính xác thực tế là không thể thiếu. Đồ án đã thực hiện chạy thử một sản phẩm mẫu và tiến hành đo đạc kích thước bằng các thiết bị chuyên dụng. Phạm vi nghiên cứu của đề tài đặt ra mục tiêu "Dung sai: ± 0.02mm". Bảng "Thống kê sai lệch kích thước đo được" trong Chương 9 đã cho thấy các sai số thực tế trên sản phẩm. Việc so sánh kết quả đo được với kích thước thiết kế cho phép đánh giá mức độ thành công của toàn bộ quá trình từ thiết kế, lựa chọn linh kiện đến lắp ráp và hiệu chỉnh. Đạt được dung sai trong giới hạn cho phép chứng tỏ máy có đủ khả năng để phục vụ cho các mục đích đào tạo và chế tạo các sản phẩm yêu cầu gia công cơ khí chính xác ở quy mô nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN. Tính cấp thiết. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu, giới hạn đề tài. Phương pháp nghiên cứu.

Giới hạn đề tài. 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Tổng quan về máy CNC. Sơ lược về máy CNC.

Qui ước hệ tọa độ. Điểm chuẩn trong gia công. Hệ thống điều khiển. Phân loại máy phay CNC.

Các thành phần cơ khí. Hệ thống truyền động vít me. Hệ thống thanh trượt dẫn hướng. Hệ thống điện.

Động cơ dẫn động các trục. Mạch điều khiển chung. 14 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ. Lựa chọn phương án kết cấu chung của máy.

Máy phay CNC khung H. Máy phay CNC khung C. Kết luận phương án khung máy. Lựa chọn phương án truyền động.

Dẫn động bằng bộ truyền đai. Dẫn động bằng trục vít. Dẫn động bằng trục vít me đai ốc bi. Kết luận phương án truyền động.

Lựa chọn phương án truyền động từ trục động cơ. Dẫn trực tiếp dùng khớp nối mềm. Dẫn động thông qua dây curoa. Kết luận phương án nối trục động cơ.

Phương án chọn truyền động trục chính. Trục chính dẫn động bằng dây đai. Trục chính dẫn động bằng bánh răng. Trục chính dẫn động trực tiếp.

20 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT. Tính lực cắt của máy. Tính lực cắt cho dao phay ngón. Tốc độ quay của trục chính.

Lượng chạy dao phút / bước tiến bàn. Lượng cắt gọt vật liệu. Công suất cắt thực tế. Lực cắt chính của máy.

Lực cắt thành phần. Công suất cắt tính toán. Lực cắt sinh ra từ quá trình cắt vật liệu. Lực cắt theo phương x, y sinh ra từ quá trình cắt vật liệu.

Tính lực cắt cho dao khoan. Số liệu ban đầu. Tốc độ quay của trục chính. Lượng chạy dao.

Lực chiều dọc trục. Công suất cắt. 31 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN TẢI TRỤC VÍT, CHỌN VÍT ME. Tính toán tải trục X.

Số liệu ban đầu. Chọn sơ bộ bước vít me. Lực chống trượt. Các lực dọc trục.

Tải trọng tĩnh. Tải trọng động. Tính toán tải trục Y. Số liệu ban đầu.

Chọn sơ bộ bước vít me. Lực chống trượt. Các lực dọc trục. Tải trọng tĩnh.

Tải trọng động. Đối trọng. Số liệu ban đầu. Kiểm nghiệm bền xích.

Tính toán tải trục Z. Số liệu ban đầu. Chọn sơ bộ bước vít me. Lực chống trượt.

Các lực dọc trục. Tải trọng tĩnh. Tải trọng động. Chọn vít me bi trục X.

Số liệu ban đầu. Chọn kiểu vít me bi. Chiều dài trục vít lý thuyết. Chọn bước trục vít.

Chọn đường kính trục vít me. Chọn thông số kĩ thuật của trục vít. Kiểm nghiệm trục vít. Tính toán momen.

Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít. Chọn vít me bi trục Y. Số liệu ban đầu. Chọn kiểu vít me bi.

Chiều dài trục vít lý thuyết. Chọn bước trục vít. Chọn đường kính trục vít me. Chọn thông số kĩ thuật của trục vít.

Kiểm nghiệm trục vít. Tính toán momen. Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít. Chọn vít me bi trục Z.

Số liệu ban đầu. Chọn kiểu vít me bi. Chiều dài trục vít lý thuyết. Chọn bước trục vít.

Chọn đường kính trục vít me. Chọn thông số kĩ thuật của trục vít. Kiểm nghiệm trục vít. Tính toán momen.

Nghiên cứu về khả năng chịu lực của trục vít. 69 CHƯƠNG 6: CHỌN RAY DẪN HƯỚNG, Ổ LĂN, KHỚP NỐI. Tính toán ray dẫn hướng trục X. Số liệu ban đầu.

Tính toán các lực thành phần. Tính toán tải trọng tương đương. Hệ số an toàn tĩnh. Tải trọng trung bình.

Tính tuổi thọ danh nghĩa. Tính toán ray dẫn hướng trục Y. Số liệu ban đầu. Tính toán các lực thành phần.

Tính toán tải trọng tương đương. Hệ số an toàn tĩnh. Tải trọng trung bình. Tính tuổi thọ danh nghĩa.

Tính toán ray dẫn hướng trục Z. Số liệu ban đầu:. Tính toán các lực thành phần. Tính toán tải trọng tương đương.

Hệ số an toàn tĩnh. Tải trọng trung bình. Tính tuổi thọ danh nghĩa. Chọn ổ lăn cụm trục X.

Số liệu ban đầu. Chọn ổ lăn cụm trục Y. Số liệu ban đầu:. Chọn ổ lăn cụm trục Z.

Số liệu ban đầu. 98 CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐIỆN. Tính toán động cơ dẫn trục X. Số liệu ban đầu:.

Momen quán tính của hệ. Momen xoắn quy đổi vào trục động cơ. Tốc độ vòng của động cơ. Momen xoắn gia tốc (tăng tốc, giảm tốc).

Thông số kĩ thuật của động cơ điện. Tính toán động cơ dẫn trục Y. Số liệu ban đầu:. Thông số kĩ thuật của động cơ điện:.

Tính toán động cơ trục Z. Số liệu ban đầu:. Thông số kĩ thuật của động cơ điện:. 108 CHƯƠNG 8: THIẾT KẾ CƠ CẤU, KIỂM NGHIỆM BỀN.

Mô hình động học. Thiết kế cụm cơ cấu chung. Thiết kế cụm trục Y. Thiết kế cụm trục X.

Thiết kế cụm trục Z. Thiết kế cụm động cơ chính. Mô phỏng kiểm nghiệm bền. Kiểm nghiệm bền cụm đế trục Y.

Kiểm nghiệm bền cụm động cơ chính. Kiểm nghiệm bền cụm đối trọng. 126 CHƯƠNG 9: GIA CÔNG, LẮP RÁP VÀ HIỆU CHỈNH MÁY. Gia công và lắp ráp.

Gia công các chi tiết, cụm máy. Lắp ráp các bộ phận máy. Chạy thử và hiệu chỉnh. Quá trình và phương pháp hiệu chỉnh.

Quá trình thử nghiệm. Nhận xét quá trình thử nghiệm. 142 CHƯƠNG 10: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ. 143 Tài liệu kham khảo.

144 XII MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2. 1 Ảnh hệ tọa độ Đề-các. 2 Ảnh điểm gốc máy. 3 Ảnh các điểm chuẩn chi tiết.

5 Mẫu máy phay đứng. 6 Mẫu máy phay ngang. 7 Cấu tạo chung của đai vít me. 8 Mô hình cụm thanh dẫn hướng.

9 Mô hình cụm máy trục X. 10 Mô hình cụm máy trục Y. 11 Mô hình cụm máy trục Z. 12 Các loại động cơ điện.

13 Bo mạch điều khiển sử dụng mach3. 1 Bộ truyền đai. 2 Bộ truyền bánh răng. 3 Trục chính được dẫn động trực tiếp.

1 Thông số kỹ thuật dao endmill. 2 Minh họa phân tích lực cắt. 3 Sơ đồ phân tích lực cắt. 4 Biểu diễn hướng lực cắt theo phương X.

5 Thông số kỹ thuật dao khoan. 1 Sơ đồ tải tác động lên trục vít trục X. 2 Sơ đồ tải trọng tác động lên vít me bi. 3 Kích thước chung đai ốc bi.

4 Ảnh biểu diễn tải trong xoắn. 5 Ảnh biểu diễn tải trọng uốn. 6 Sơ đồ tải trọng tác động lên vít me bi trục Z. 1 Biểu đồ biến thiên vật tốc động cơ bước.

2 Thông số khoảng cách ray dẫn hướng cụm trục X. 3 Sơ đồ phân bố tải trọng. 4 Phân tích lực thành phần cụm trục X. 5 Hệ số độ cứng (ray dẫn hướng).

6 Hệ số nhiệt độ (ray dẫn hướng). 7 Thông số khoảng cách ray dẫn hướng cụm trục Z. 8 Sơ đồ phân bố lực. 9 Phân tích lực thành phần cụm trục Z.

1 Biểu đồ vận tốc động cơ bước. 2 Mô hình hợp lực tác động trục vít. 1 Mô hình động học máy. 2 Mô hình cụm trục Y.

3 Bậc định vị ray dẫn hướng. 4 Chân gối đỡ trục vít me. 5 Chi tiết tấm gắn động cơ. 6 Phần chân đế cụm trục Y.

7 Mô hình cụm trục X. 8 Mô hình tấm đế trục X. 9 Phần lỗ bắt ốc tấm đế. 10 Mặt sau tấm đế trục X.

11 Mô hình cụm trục Z. 12 Mô hình tấm đế trục Z. 13 Mô hình khung đỡ trục Z. 14 Mô hình cụm gắn động cơ chính.

15 Các chi tiết cụm động cơ chính. 16 Phần lỗ bắt cụm đối trọng. 17 Chi tiết kẹp động cơ trục chính. 18 Chia lưới chi tiết tấm đế trục Y và áp dụng lực.

19 Mô phỏng kiểm nghiệm bền cụm trục Y. 20 Chia lưới chi tiết nối động cơ chính và áp dụng lực. 21 Mô phỏng kiểm nghiệm bền chi tiết nối trục động cơ. 22 Chia lưới kết cấu chịu lực cụm trục Z và áp dụng lực.

20 Mô phỏng kiểm nghiệm bền cụm trục Z. 1 Chi tiết tấm nền trục Y. 2 Chi tiết tấm nền trục X gia công. 3 Chi tiết tấm nền trục Z.

4 Chi tiết tấm cố định động cơ. 5 Chi tiết khung đỡ tấm nền trục Z. 6 Chi tiết bàn máy gia công. 7 Cụm trục Y được lắp lên khung.

8 Lắp phần cụm trục Z. 9 Kiểm tra độ vuông góc trục động cơ. 10 Sơ đồ mạch điện của máy. 11 Lắp đặt tủ điện.

12 Ảnh hoàn thiện máy phay CNC 3 trục. 13 Lắp chi tiết bàn máy. 14 Điều chỉnh số bước động cơ. 15 Mẫu chạy thử kiểm tra độ chính xác máy.

16 Đo kích thước mẫu chạy được. 141 XIV MỤC LỤC BẢNG Bảng 2. 1 Đặc tính tương đối hai loại động cơ. 1 Bảng tra hệ số Kc.

2 Thông số động cơ chính. 1 Bảng hệ số an toàn ray dẫn hướng. 2: Bảng thành phần lực dọc trục Y. 3 Bảng thành phần lực dọc trục Z.

4 Bảng độ chính xác góc dẫn hướng. 5 Khoảng giá trị mức độ giao động. 6 Độ dài trục vít me tối đa theo cấp chính xác. 7 Thông số đai ốc bi trục X.

1 Thông số ray trượt dẫn hướng. 2 Thông số con trượt dẫn hướng. 3 Bảng hệ số tiếp xúc (ray dẫn hướng). 4 Bảng hệ số tải (ray dẫn hướng).

5 Kết quả lực thành phần trục Y. 6 Kết quả tải trọng tương đương trục Y. 7 Giá trị tải trọng trung bình của thanh dẫn hướng trục Y. 8 Giá trị tuổi thọ của thanh dẫn hướng trục Y .